Halbleiterphysik Walter Schottky: Der Physiker hinter Diode, Rauschen und Kristalldefekt

Walter Schottkys Name steckt bis heute in zentralen Begriffen der Elektrotechnik und Festkörperphysik: in der Schottky-Diode, dem Schottky-Effekt, der Schottky-Anomalie oder dem Schottky-Defekt. Wir beleuchten sein Leben und Wirken.

Im Bereich der Elektrotechnik sind unter anderem Röhren und Dioden, aber auch Wärmelehre und kristalline Anordnungen relevant. Natürlich gibt es viele weitere Themengebiete, aber die oben genannten Begriffe verwenden wir hier, da es dieses Mal um den deutschen Physiker Walter Schottky geht, nach dem unter anderem wichtige Effekte oder Erkenntnisse eben aus den Bereichen Röhren, Dioden, Wärmekapazität und mehr benannt wurden.

Seine Errungenschaften und Arbeiten betreffen etwa Rauscheffekte, Raumladungen in Elektronenröhren und Grundlagen bei Halbleitern. Wir fassen in unserem Artikel die wichtigsten Erkenntnisse und Beiträge zur Elektrotechnik sowie das Leben von Walter Schottky zusammen.

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Geburt, Schule und Studium

Walter Schottky, mit vollem Namen Walter Hans Schottky, wurde am 23. Juli 1886 in Zürich geboren und war der Sohn des Mathematikers Friedrich Schottky (geboren 1851 in Breslau, verstorben 1935 in Berlin) und Henriette Schottky (1858 bis 1947). Walter Schottky besuchte in Marburg (Mittelhessen) und in Berlin das Gymnasium, bevor er in Berlin sein Studium absolvierte. Für seine Promotion im Jahr 1912 hatte er die Gelegenheit, bei Max Planck seine Doktorarbeit abzulegen, der seit 1889 an der Friedrich-Wilhelms-Universität Berlin lehrte und 1892 den Lehrstuhl für theoretische Physik erhielt.

Walter Schottky wechselte danach an das Physikalische Institut der Universität Jena und bewies 1913 experimentell seine bereits theoretisch formulierte Schottky-Gleichung, die bei einer Elektronenröhre die Abhängigkeit der elektrischen Stromdichte von der Anodenspannung beschreibt. Für seine Habilitation ging er 1914 wieder nach Berlin zurück, brach sein Vorhaben aber zunächst ab und arbeitete ab 1916 bei Siemens. 1919 setzte er, teils parallel zu seiner Anstellung, dann noch erfolgreich seine Habilitationsarbeit fort.

Professur und Forschung bei Siemens

Sein Thema für die Habilitation war „Thermodynamik der seltenen Zustände im Dampfraum (thermische Ionisierung und thermisches Leuchten)“. 1920 reichte Walter Schottky die Arbeit an der Universität Würzburg ein und nahm schließlich an der Universität von Rostock von 1923 bis 1927 eine Professur für theoretische Physik wahr, um danach wieder zu Siemens nach Berlin zurückzukehren.

In den dortigen Laboren kümmerte er sich vor allem um Grundlagenforschung bei der Halbleiterphysik sowie Elektronik allgemein. Bedingt durch den Zweiten Weltkrieg verließ Walter Schottky mit einigen seiner Forscherkollegen Berlin und arbeitete in Pretzfeld für Siemens & Halske weiter. In der kleinen oberfränkischen Gemeinde, die im Kreis Forchheim liegt, ließ Siemens dann nach Ende des Krieges ein Labor im Schloss Pretzfeld einrichten. Schottky blieb der Region verbunden, arbeitete später noch in Erlangen. Auch seinen Ruhestand verbrachte er in der Region und er verstarb am 4. März 1976 im Alter von beinahe 90 Jahren in Forchheim.

Erkenntnisse und die Schottky-Diode

Nach Walter Schottky ist unter anderem der Schottky-Effekt benannt, der für Elektronenemissionsgeräte, etwa Elektronenkanonen, wichtig ist. Besonders folgenreich wurden Schottkys Arbeiten zu Metall-Halbleiter-Kontakten und Sperrschichten, die für Gleichrichter, Dioden und später auch für das Verständnis von Transistoren wichtig wurden.

Auf dem Effekt basiert auch die Schottky-Diode, die er zwar nicht selbst erfand, die aber wegen des Schottky-Effektes nach ihm benannt wurde. Die Schottky-Diode beruht auf einem Metall-Halbleiter-Übergang, an dem sich eine Schottky-Barriere bildet. Benannt ist sie nach Schottkys Arbeiten zu solchen Sperrschichten und Metall-Halbleiter-Kontakten. Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, verringert sich die Barriere, sodass Ladungsträger den Übergang leichter überwinden können und ein Strom fließt. In Sperrrichtung wird dieser Stromfluss dagegen stark unterdrückt.

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Vorteile der Schottky-Diode sind die schnellen Schaltzeiten sowie die Effizienz. Allerdings sind die Dioden nicht gut für Hochspannungsszenarien zu gebrauchen und verlieren bei Hitze an Zuverlässigkeit. In der Elektronik sind Schottky-Dioden trotzdem wegen ihrer Schnelligkeit weit verbreitet und werden unter anderem für Hochfrequenzschaltungen oder auch als Schutz vor Spannungsspitzen in elektronischen Geräten verwendet.

Die Schottky-Anomalie bezeichnet einen Peak der Wärmekapazität bei tiefen Temperaturen, wie er in Systemen mit wenigen diskreten Energieniveaus, etwa einem Zwei-Niveau-System, auftreten kann. Ebenfalls nach Schottky benannt wurden Fehler in Kristallgittern: Treten in einem Ionengitter mit Anionen und Kationen Leerstellen auf, weil dort Ionen-Pärchen (je ein Anion und Kation) fehlen, spricht man auch von einer Schottky-Leerstelle oder einem Schottky-Defekt.

Weitere Erfindungen und Ehrungen von Walter Schottky

Walter Schottky hat auch einige Erfindungen verantwortet, so im Jahr 1916 das Schirmgitter, eine Elektrode in einer Elektronenröhre, welche das Steuergitter vom elektrischen Feld der Anode abschirmt sowie auch für eine konstantere Spannung bezüglich der Kathode sorgt.

Im Jahr 1924 erfand er zusammen mit Erwin Gerlach das Bändchenmikrofon, bei dem ein dünnes Bändchen in einem Magnetfeld durch Schall schwingt und dabei elektrische Signale erzeugt. Mikrofone dieser Bauweise werden auch heute noch genutzt. Aus dieser Innovation entstanden zudem in den 1930er-Jahren, als ausreichend starke Permanentmagnete verfügbar waren, Lautsprecher, die aus elektrischen Signalen im umgekehrten Verfahren Bändchen zum Schwingen brachten, um Schall zu erzeugen.

Bändchenlautsprecher werden auch heute noch als Hochtöner für teurere Lautsprecher verwendet, wobei ein dünnes Stück Folie als Membran dient und den Schall erzeugt – wegen des geringen Membrangewichts und der daraus resultierenden schnellen Reaktionszeit der Membran sind gerade die für hohe Töne nötigen schnellen Schwingungen sehr präzise, sodass Bändchen-basierte Hochtöner den Ruf eines besonders klaren Klangs haben.

Noch zu seinen Lebzeiten wurde ihm zu Ehren der Walter-Schottky-Preis für Festkörperforschung gestiftet. Es gibt zudem mehrere Bauten, die nach ihm benannt sind, insbesondere das Walter-Schottky-Institut der TU München und der Sammelbau für Elektrotechnik an der RWTH Aachen. Die Schottkystraße in Erlangen ist zudem die Heimat des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelemente-Technologie. Noch zu Lebzeiten wurden Walter Schottky 1936 die Hughes Medal der Royal Society, 1962 die Carl-Friedrich-Gauß-Medaille und 1964 der Werner-von-Siemens-Ring verliehen. Im Jahr vor seinem Tod, 1975, nahm ihn die Braunschweigische Wissenschaftliche Gesellschaft als korrespondierendes Mitglied auf. Walter Schottky war eine essenzielle Persönlichkeit für die Technik vieler moderner elektronischer Bauteile. (sb)

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